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U形渠道抛物线形量水槽数值模拟研究

郝晶晶  
【摘要】: 在农业节水灌溉各项技术的推广应用中,灌区量水是一项基础的、关键性的技术。随着节水农业的发展和水价制度的改革,研究结构简单、精度高的渠道流量测量装置具有重要的意义。本文选用五元二次正交旋转组合设计方法,利用GAMBIT建立模型,划分网格,基于标准k -ε二阶紊流模型,采用VOF方法和壁面函数法分别处理自由液面、不规则边界和固壁边界,对抛物线量水槽三维水流运动进行了数值模拟研究,主要得到以下结论: (1)对小型U形渠道抛物线量水槽建立模型,进行水位流量的模拟计算,得到不同工况下量水槽的自由水面线、流速分布等表明其过流特性的水力参数,并将其与试验资料进行对比,结果表明,自由水面线的计算与实测值符合较好,流速分布规律揭示的水流特性与实际状况相符,所选模型能够准确模拟量水槽的三维水流特性,该数值数值模拟方法具有可靠性。 (2)在模型验证取得良好效果的基础上,为了在较大范围内研究抛物线量水槽的过流特性、自由出流时流量的变化规律,探讨渠道断面尺寸大小(不同的渠底半径r、外倾角α和渠道比降i,糙率n)和抛物线收缩比ε对量水槽流量计算的影响,本文采用五元二次正交旋转组合设计方法,建立数值模拟试验方案,对不同参数的渠槽进行了数值模拟计算。 (3)采用DPS数据统计分析软件结合试验统计分析原理,对数值试验的模拟结果进行回归分析,得出以流量为因变量的五元二次回归方程。 (4)利用简化模型,对已有的量水槽测流结果及较大半径U形渠道抛物线形量水槽进行了验证,初步表明,已有流量公式对较大半径U形渠道抛物线形量水槽具有较高的合理性。 (5)根据建立的回归模型,探讨了不同渠槽结构参数对水位流量关系的影响。经过对流量的各个参数进行了单因子及两因子交互作用分析,结果表明,渠道半径及相对水深对流量影响较为显著,抛物线收缩比ε与渠道比降i对能否形成统一的水位流量关系有较大的影响,而渠道的外倾角α及糙率n对水位流量关系影响较小,而糙率的平方项对流量的影响较大。


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